UNIVERSIDAD DEL VALLE

ESCUELA DE INGENIERÍA DE MATERIALES

TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES

ANDRES ESCARRAGA - WILL PIEDRAHITA BERNARDO SANCHEZ - MELISSA YAQUENO

CARACTERIZACIÓN DE UNA PELÍCULA DELGADA

DE TiCN MEDIANTE ANALISIS DRX Y FTIR

TiCN

Investigaciones reportan que el TiCN es una solución sólida de TiN (FCC) y TiC (FCC). Por lo

tanto, el TiCN tiene mejores

propiedades anti-desgaste y mayor dureza que el TiN y TiC.

La inclusión de los átomos de C en la red de TiN, aumenta sustancialmente la dureza de la película y reduce el coeficiente de fricción.

Los tamaños más pequeños de grano del TiCN producen una lubricación superficial más suave y ligeramente mayor que el TiN, y por lo tanto, el coeficiente de fricción de TiCN es inferior a la de TiN.

TiCN

El Carbonitruro de Titanio (TiCN) tiene una alta estabilidad química y propiedades mecánicas superiores, como el bajo coeficiente de fricción, alta dureza (HV 2500-3000), alta tenacidad, alto punto de fusión (3.050 °C), alta conductividad eléctrica, y excelente resistencia al desgaste.

El recubrimiento TiCN puede reducir significativamente la fuerza de corte que un recubrimiento de TiN.

ANALISIS DE DRX DE TICN

Análisis de DRX Ti-C-N (1 1 1) está asociado a un mecanismo de sustitución, donde los átomos de C reemplazan átomos de N, resultando Ti ordenado y C-N desordenado obteniendo una estructura FCC tipo NaCl. Esta es la orientación preferencial, plano más densamente compacto en la película, favorece el crecimiento columnar de las capas. Para 2θ=50,85 y 55,09, picos correspondiente al enlace C-C, que está formada por moléculas no reactivas del gas (CH4) en la deposición de TiCN. Carbono libremente enlazado entre si mismo.

Referencia datos teóricos: 00-042-1488

Se observa un considerable ruido experimental del 6,55% aportado por el equipo de medición de difracción de rayos X, donde puede haber un dismatch es los colimadores.

Ruido experimental

Análisis de DRX

No se observa una formación significante de TiN debido a un adecuado flujo de CH4, que proporciona el C necesario para formar Ti(C)N. Si el aporte de C es superior al requerido se forma TiC (fase frágil)

Reacción ocurrida en la deposición

Ti+CH4+N2→TiC+TiN+TiCN

En los picos para los planos 111, 200, 220, 331 y 420 el ángulo se ha reducido (corrimiento hacia la izquierda), es decir que el parámetro de red aumentó debido a un esfuerzo de tipo tensil.

El pico 400 es el complejo conjugado o reflejo del 200, por lo que se observa un desplazamiento hacia la derecha, lo que indica que se han generado esfuerzos de compresión.

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Entre los valores teóricos de los planos 311 y 222 se observa un pico en teta= 74.82°, el cual tiene un corrimiento mayor a +/-1° respecto a estos planos, lo que lleva a pensar que existe otra fase en lugar en lugar de una distorsión de la red.

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Plano h2+k2+l2 2θ(°) d(Å) a(Å) d teórico a teórico ∆a

<111> 3 34,69 2,584 4,475 2,462 4,265 0,210

<200> 1 40,95 2,202 2,202 2,132 2,132 0,070

<220> 8 61,22 1,513 4,279 1,508 4,265 0,014

<400> 16 92,71 1,064 4,258 1,066 4,264 -0,007

<331> 19 102,41 0,988 4,308 0,978 4,265 0,043

<420> 20 107,27 0,957 4,278 0,954 4,265 0,013

Distancia interplanar estructura tipo NaCl

COMPARACIÓN DATOS EXPERIMENTALES Y TEÓRICOS

Longitud de ángulo incidente: Cukα (λ=1.5405 Å)

<111> presenta la mayor distorsión de la red

• K= Es un factor de forma adimensional, tiene un valor típico de aprox. 0,9, pero varía con la forma real del cristalito.

• λ=Longitud de onda incidente, equipo de XRD. Cukα (λ=1.5405 Å) • β= Ancho de la mitad de la intensidad ( FWHM ), después de restar la ampliación de la línea instrumental • Θ= Es el ángulo de Bragg.

PLANO 2θ(°) FWHM TAMAÑO

CRISTALITO (Å)

<111> 34,69 0,693 240,342

<200> 40,95 1,039 163,202

<220> 61,22 0,438 421,208

<400> 92,71 0,212 1087,759

<331> 102,41 0,204 1240,292

<420> 107,27 0,279 960,054

Ecuación de Scherrer

DETERMINACIÓN DE TAMAÑO CRISTALITOS

Plano Intensidad α TiCN/hkl

(%planos) Intensidad

normalizada (Ihkl) α*(L o d)

<111> 458,97 0,411 1 1,063

<200> 318,01 0,285 0,693 0,628

<220> 172,66 0,155 0,376 0,234

<400> 46,62 0,042 0,102 0,044

<331> 53,97 0,048 0,118 0,048

<420> 65,26 0,059 0,142 0,056

DISTANCIA PROMEDIO ENTRE ÁTOMOS DE Ti

Distancia promedio de átomos de Titanio en TICN es igual a 2,0732 A

Medición de esfuerzos residuales

Medición de esfuerzos residuales • Determinando mediante el método de incidencia

rasante a bajo ángulo.

• Angulo de incidencia a pequeño y constante, reduce penetración del haz de rayos x a través del recubrimiento.

• ψ = θ – α (ángulo de medida que forma la normal a la superficie y la normal al plano difractante (hkl))

• Se supone un estado biaxial de esfuerzos donde existe una relación entre parámetro de red y tensión:

Constantes elásticas para TiN

Los valores de a en cada plano se grafican en función de f(ψ), de la pendiente se obtiene σ

Método del (sen ψ)2

Medición de esfuerzos residuales

En general se evidencia un esfuerzo residual de carácter tensil de σ = 5,03 GPa

Medición esfuerzos residuales

Plano d(Å) a(Å) d0 (Å) a 0(Å) ∆ a(Å) ψ (°) 2S1(TPa-1) 𝟏

𝟐*S2(TPa-1) f(ψ)

<111> 2,5837 4,4750 2,4623 4,2648 0,2102 12,3450 -1,0600 2,0600 -0,9658 <200> 2,2020 2,2020 2,1324 2,1324 0,0696 15,4750 -0,6800 1,5200 -0,5718

<220> 1,5127 4,2785 1,5078 4,2647 0,0138 25,6100 -0,9600 1,9200 -0,6013 <400> 1,0644 4,2577 1,0661 4,2644 -0,0067 41,3550 -0,6800 1,5200 -0,0164

y = -0,0503x + 0,9938 R² = 0,6613

0.001

0.001

0.001

0.001

0.001

0.001

0.001

0.001

-1,2 -1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0a/

a 0

f(ψ)

ANALISIS DE FTIR DE TICN

Espectroscopia de radiación Infrarroja.

Un espectro IR se obtiene al pasar radiación a través de una muestra y determinar que fracción de esta radiación incidente ha sido absorbida. La energía particular a la que aparece cada pico en un espectro guarda relación con la frecuencia de vibración de una parte de la molécula.

Espectroscopia de radiación Infrarroja.

Región del espectro electromagnético de IR se encuentra entre 12800 – 10 cm-1.

Clasificación:

(NIR): 12800 – 4000 𝑐𝑚−1.

(MIR): 4000-400 𝑐𝑚−1.

(FIR) 400-1 𝑐𝑚−1.

FTIR de TiCN (Análisis Cualitativo)

Espectro infrarrojo en unidades de absorbancia para una pelicula de TiCN.

FTIR de TiCN

Los picos de 1380 cm-1 con una menor intensidad y 1540 cm-1 a mayor intensidad, según las cartas, me indican la presencia de compuestos nitro alifáticos . Mostrando estiramiento simétrico y asimétrico respectivamente.

FTIR de TiCN

C-N C-N

La región comprendida entre 1020 y 1250 cm-1 indican la presencia de modos vibraciones de estiramiento en enlaces C-N como lo indica la literatura, correspondiente a aminas alifáticas.

FTIR de TiCN

En aproximadamente 985 cm-1 se encuentra el modo vibracional de estiramiento de un enlace C-O. acorde con las cartas. Tiemblen se puede apreciar enlaces N-H tipo rotacional a 897 cm-1.

FTIR de TiCN

En 612 cm-1 se encuentra el pico de máxima intensidad que indica la molécula con mayor absorción que puede indicar la molécula de C-Ti-N con una vibración tipo doblamiento.

Referencias

• The residual stress measurement of TiCN PVD films , Takago, Masahide Gotoh, Toshihiko Sasaki, Yukio Hiro. Industrial Research Institute of Ishikawa , Japon.

• Determinación de tensiones residuales en recubrimientos de TiN sobre sustratos de Cu. C. Carrasco, V. Vergara S., R. Benavente G, N. Mingolob y J.C.Ríos. Universidad de Concepción, Concepción, Chile.

• Characterization of TiCN and TiCN/ZrN coatings for cutting tool application, Ping Chuan Siow, , Jaharah A. Ghani. Ceramics International, Volume 39, Issue 2, March 2013, Pages 1293–1298.

• Estudio de la hemocompatibilidad de películas de TiCNx producidas por arco pulsado, Diana Shirley Galeano Osorio.

• http://orgchem.colorado.edu/Spectroscopy/specttutor/irchart.html

• http://es.wikipedia.org/wiki/Anexo:Tabla_de_correlaciones_en_espectroscopia_infrarroja

• http://www.upct.es/~minaeees/espectroscopia_infrarroja.pdf